探讨聚合物集热器与太阳能建筑结合应用

中国科学院广州能源研究所/钟柳文、李育坚、史继富、徐刚

　　摘要：太阳能热水器与建筑的结合正成为设计界关注的热点。传统的真空管、平板集热器由于自身材料的局限性，尺寸、颜色、形状僵化，无法满足太阳能集热器与建筑结合的迫切需求。而聚合物集热器具有成本低、重量轻、耐腐蚀、低温不结硬水垢等优点，而且通过模具制成的集热器精度高、尺寸易变、造型多样且易于安装。

　　0引言

　　低碳是未来建筑的方向。我国建筑能耗占社会总能耗的30%~40%，应用太阳能可使建筑能耗大大降低，实现太阳能与建筑结合，是建筑节能最有效的手段之一。事实上，太阳能与建筑“联姻”已经倡导多年，但迄今为止并没有取得实质进展。目前，我国应用较多的是真空管集热器和平板集热器如图1所示。

　　1背景

　　聚合物在集热器上的应用可以解决传统集热器使用中出现的问题，具有成本低、重量轻、耐腐蚀、低温不结硬水垢等优点，最为重要的是，太阳能光热建筑一体化一直是国家主推的节能建设方式，建筑风格的多变必然要求集热器在形状、颜色上迎合建筑物的需求。而聚合物集热器由于都是通过模具制造，可以有很好的精度，制成的集热器尺寸易变、造型多样且易于安装，比起传统真空管、平板集热器，聚合物集热器更易搭配不同风格的建筑，为漂亮建筑“锦上添花”，从根本上解决了传统太阳能集热器破坏建筑美感的应用难点。

　　聚合物集热器在低温传导的应用上具有极为广阔的前景，应用于民用、公用建筑中，可得到适宜温度的生活热水；应用于工业热源的预热，可节省传统能源的消耗；应用于泳池加温，可延长泳池的使用时间；用于农业种植水产养殖，可丰富菜篮子工程等。目前，太阳能集热产品应用范围不断扩大，市场对产品的要求越来越高，聚合物太阳能集热器具有诸多的优点和卓越的性能，有望成为以后发展的趋势，非常有必要对其展开进一步的研究。

　　2国内外塑料集热器产业现状

　　尽管早在1983年，美国Ramada Energy Systems公司就开始研制全塑料家用太阳能热水器；巴西的Aquecedor Solar Transsen公司也相信塑料吸热体的前景，已启动安装有聚丙烯吸热体的新型PortoSeguro平板集热器生产线；2010年，挪威奥斯陆AS 公司的Aventa 生产出一种耐高温的聚苯硫化物（PPS）集热器，但总体来说，这些产品并未突破传统集热器的思维禁锢，管路、结构设计与平板雷同，塑料易加工成型的优点没能充分体现。

　　在国内，市场很少有盖板的塑料集热器，就连无盖板集热器产品也很少，企业对聚合物集热器研究极少，产业停滞于初级阶段。聚合物材料存在的太阳能光谱选择性吸收性能差、热传导率低、易紫外老化等问题，也未曾得到很好的解决。总体来讲，由于技术的落后，目前我国聚合物太阳能集热器的销售额很不乐观。太阳能聚合物集热器如2所示。

　　3新型聚合物集热器的研发

　　针对目前的产业现状，聚合物集热器的关键在于攻克太阳能光谱选择性吸收性能差、热传导率低、易紫外老化、结构原始、颜色单调的难点，开发出一种热效率高、使用寿命长、安装方便、风格多变的建筑一体型高效聚合物太阳能集热器。广州能源研究所太阳能实验室在此方向进行多年的研究，获得了一定的成果。

　　3.1太阳能光谱选择性吸收聚合物材料研究

　　使用具有太阳能光谱选择性吸收性能的涂层，可以最大限度采集太阳能的同时尽可能减少热损失，从而提高太阳能集热器的效率，在传统的真空管、平板集热器中使用非常广泛，颜色局限为黑色和蓝色。但是在聚合物基底上很难实现，因为聚合物集热器采用高分子材料基底，有别于真空管、平板集热器的玻璃或金属基底，一方面高分子基底一般不具备低发射特性，另一方面聚合物材料热胀冷缩率大，采用化学电镀、磁控溅射或喷涂等后天制备的涂层在恶劣的户外使用环境下很易脱落。

　　一般而言，如果将聚合物本体材料做成黑色，很容易达到高吸收比，但发射比也往往高于0.8，将导致集热器的热效率非常低；同时，单调的黑色不利于与建筑风格的融合，无疑是对建筑美感的破坏。

　　针对聚合物材料的特性，研究一种新型高效、工艺适合的选择性吸收材料很有必要。金属氧化物是通过对大量材料的光谱分析选择出来的特定填料，它保持高吸收比的同时又有较低的热辐射比。通过控制、优化微纳米铝粉球的氧化层厚度及其在基体中的分布来提高材料的光谱选择性吸收性能，同时，通过采用材料共混复合而不是单纯的表面喷涂的方法，解决塑料基底热胀冷缩带来的涂层寿命问题，可采用吹塑、挤出、真空吸塑热压的任何一种方法制备。周大纲[7]采用碳黑、金属氧化物与聚丙烯塑料共混复合方法制成的高光谱选择、高导热系数的塑料复合材料，光学性能吸收比0.94，发射比0.3，材料导热系数为0.94W/m·K，用该材料制成的1.02m2的集热器，配78.5公斤水量的太阳能家用热水器平均日效率可达54.3%，平均热损系数仅为2.34W/m·K，且使用寿命高达9年以上。

　　建筑风格和颜色的多变必然要求集热器也能在形状和颜色上迎合建筑物的需求，但颜色的改变是否会影响集热器的性能？为此我们制备了不同颜色的小样品，并进行了用紫外分光光度计进行光学性能的测试。测试结果不同颜色的样品吸收率分别为黑色：95.78%，灰色：90.17%，绿色86.94%，红色69.63%，数据表明，吸热板芯颜色的改变对吸收性能有影响的，但在选择深色系的颜色时，差异并不明显，这可为生产不同风格的集热器奠定了基础。不同颜色的聚合物样品吸收比如图3所示。

　　3.2高热导率、耐热、高机械性能聚合物材料的研究

　　由于一般聚合物的热导率都比较低，如聚丙烯的导热系数为0.17W/m·K，严重阻碍聚合物材料在太阳能加热方面的应用，对材料进行改性，可以通过优化碳纳米管在复合材料中的取向程度来提高整个材料的热导率、降低聚合物基体的热膨胀系数，如宋鹏程[4]已经使用完全定向的高密度碳纳米管相变复合材料的方法，制作出导热率达到3.15W/m·K 的碳纳米管阵列/PMMA 复合材料导热片。优化石墨在基体中的合理分布来提高复合材料的机械性能，提高材料的扭矩、料温及时间来提升良好成型加工能力。陶国良[5]采用在聚丙烯基体中合理分布石墨、碳纤维（CF）的方法，将其热导率提升至2.1W/m·K，拉伸强度达到51.49MPa，显著提高复合材料的导热性能和力学性能；聚合物集热器在使用过程中会因为UV 辐射和高温环境等因素破坏，可以通过集热器表面加玻璃盖板过滤或使用稳定剂来避免紫外辐射老化，发展共混改性材料来避免高温老化。

　　3.3高效聚合物集热器的结构设计与研究

　　尽管市面上有聚合物集热器产品，但这些产品并未充分体现塑料容易加工成型的优点，其集热器的结构、流道设计未突破传统集热器的限制，多为管翼式结构，由于塑料的导热性差，此种结构直接导致集热器热效率的低下。

　　为进一步提升热效率，避免聚合物导热系数低引起的热损失，可对集热器的结构进行创新设计，引用聚光结构时，使得太阳能光可以聚集到吸热管中，引用全流道结构时，成为双重板型，提高吸热体与工质的换热面积。

根据上述材料，设计制作了一款全流道裸板聚合物集热器的测试系统，包括以下部件：1 张1020mm×800mm的全流道聚合物集热器、带保温的波纹不锈钢管路、直流无刷循环水泵、水表、40L保温水箱。测试地点广州市，水流速度2.4L/min，当天全天蓝天无云，风速小于2米/秒。测试结果如表1所示。集热系统瞬时效率曲线如图4所示。

　　拟合得到的线性方程截距为0.68，热损系数为5.1W/m2·K。

　　3.4简单、高效生产工艺的研究

　　采用注塑、吹塑或双板真空吸塑热压成型的方式加工的吸热板芯，一次成型，无需额外接头。也可以采用挤出的方式挤出一定规格的聚合物管，然后通过热熔焊的方式将聚合物管拼装成高选择性聚合物吸热管。保温材料和边框优选聚氨酯材料，这样可通过模具原位发泡一次成型，同时反光槽也在这一步成型，将透明盖板覆盖在聚光吸热板芯上方，并在保温层和边框外部喷涂聚合物保护层，得到聚合物集热器。

　　可以看出这种集热器非常容易生产，加工工艺简单，整个过程不需要切割、焊接或压合，也无需螺丝、铆钉或内楔件等的组装，节省了大量的人工，极大提高了生产效率。而一维全聚合物太阳能聚光集热器采用挤出一次成型方式加工，生产效率极高。

　　3.5集热器风格与建筑的适应性研究

　　由于聚合物非常容易成型，集热器外观可以是正方形、长方形、六边形、多边形的任何一种，盖板可以是平面结构和非平面结构。这种多变的外观使得聚合物集热器可更加灵活地应用在现代建筑上，是传统的真空管、平板集热器所望尘莫及的。

　　在保证光热转换效率、使用寿命等综合性能前提下，可通过专业、贴近用户的工业设计，研制出多种结构、形状、颜色和适于建筑相结合的高效聚合物集热器，突出满足80 后、90后消费群体对个性定制、多变风格效果的诉求，实现了对太阳能集热器产品的颠覆。太阳能聚合物集热器及阵列如图5所示。

　　4展望

　　随着可持续发展战略在世界范围内的实施，太阳能的开发利用已被推到新的高度，至本世纪中叶，世界范围内的能源问题、环境问题的最终解决将依靠可再生能源特别是太阳能的开发利用。聚合物太阳能集热器生产工艺简单、性能高效、成本低廉，非常符合利用可再生能源、进行可持续发展的战略要求，具有广阔的市场前景。但是，目前从事这方面研究的机构、企业甚少，未能形成规模效应和示范效果，另外，聚合物材料的耐老化性能还应进一步在应用中获得检验。

　　参考文献

　　1.Silingiris P T T.Towards making solar water heating technology feasible-the polymer solar collector approach [J].Energy Conversion and Management，1999，40：1237~1250.

　　2.Davidson J H，Mantell S C，Jorgensen G J，et al．Status of the development of polymeric solar water heating systems[J].Advances in Solar Energy，2003，15：149~186.

　　3.Dimitrios M，Zarkadas，Kamalesh K，et al.Polymeric hollow fiber heat exchangers-An alternative for lower temperature applications[J].Ind Eng Chem，2004，43：8093~8106.

　　4.宋鹏程，刘长洪.碳纳米管复合导热材料的结构与性能研究[D].清华大学，2007：1~57.

　　5.陶国良，涂善东.石墨/ 碳纤维/ 聚丙烯高强导热材料的研究[J].中国塑料，2004，40（11）：32~35.

　　6.吴嘉辉，杨丽庭，宋科明，林少权.聚合物太阳能集热材料研究进展[J].广东化工，2011，1（38）：90~93.

　　7.周大纲.太阳能光热转换塑料材料研究[J].上海塑料，2001，2：19~21.